Des scientifiques de l'Université de Stockholm ont découvert que l'eau peut présenter un comportement similaire à celui d'un cristal liquide lorsqu'elle est éclairée par une lumière laser. Cet effet provient de l'alignement des molécules d'eau, qui présentent un mélange de domaines de faible et de haute densité qui sont plus ou moins sujets à l'alignement. Les résultats, signalé dans Lettres de révision de physique , sont basées sur une combinaison d'études expérimentales utilisant des lasers à rayons X et des simulations moléculaires.

Les cristaux liquides étaient considérés comme une simple curiosité scientifique lorsqu'ils ont été découverts pour la première fois en 1888. Plus de 100 ans plus tard, ils sont l'une des technologies les plus utilisées, présent dans les affichages numériques (LCD) des montres, Téléviseurs et écrans d'ordinateur. Les cristaux liquides fonctionnent en appliquant un champ électrique, qui fait aligner les molécules voisines d'un liquide, d'une manière qui ressemble à un cristal. L'eau aussi peut être déformée en un cristal liquide, lorsqu'il est éclairé par une lumière laser. On sait que le champ électrique du laser peut aligner les molécules d'eau pendant moins d'un milliardième de seconde. Cette découverte peut-elle avoir des applications technologiques futures ?

Une équipe internationale de chercheurs du département de physique de l'Université de Stockholm a mené des expériences sur le laser japonais à électrons libres à rayons X SACLA et a sondé pour la première fois la dynamique de molécules à orientation transitoire à l'aide d'impulsions de rayons X. Cette technique, repose sur l'alignement des molécules avec une impulsion laser (avec une longueur d'onde =800 nm) et le sondage de l'alignement avec des impulsions de rayons X, qui permettent de voir en temps réel les changements de structure au niveau moléculaire. En faisant varier le temps entre le laser et les impulsions de rayons X, les chercheurs ont pu résoudre l'état aligné, qui ne vit que pour 160 fs.

"On sait que les molécules d'eau sont alignées en raison de la polarisation de l'impulsion laser" explique Kyung Hwan Kim, ancien chercheur à l'Université de Stockholm et actuellement professeur assistant à l'Université POSTECH en Corée, "C'est cependant une capacité unique de pouvoir utiliser des lasers à rayons X pour voir l'alignement moléculaire en temps réel."

"Les rayons X sont parfaits pour sonder les molécules car leur longueur d'onde correspond aux échelles de longueur moléculaire", explique le Dr Alexander Späh, ancien doctorant en physique à l'Université de Stockholm, et actuellement en post-doctorat à l'Université de Stanford. « J'aime vraiment avoir l'opportunité d'utiliser des installations à rayons X de pointe pour étudier des questions fondamentales qui pourraient avoir de futures applications technologiques. »

Les expériences ont été bien reproduites par des simulations moléculaires, qui a donné un aperçu du mécanisme d'alignement sous-jacent. En supposant que l'eau se comporte comme un liquide à deux états, constitué de domaines liquides de haute et basse densité (HDL et LDL), les chercheurs ont découvert que chaque domaine montre une tendance différente à s'aligner.

"Les molécules d'eau dans les régions LDL ont un réseau de liaisons hydrogène plus fort, ce qui rend les molécules plus faciles à répondre au fort champ laser" explique Anders Nilsson, professeur de physique chimique à l'Université de Stockholm. "Il serait fascinant de mesurer la durée de vie de l'alignement moléculaire en régime de surfusion, où tout devrait ralentir considérablement".

"Être capable de comprendre l'eau au niveau moléculaire en observant les changements du réseau de liaisons hydrogène, peut jouer un rôle majeur dans l'activité biologique", déclare Fivos Perakis, professeur assistant en physique à l'Université de Stockholm. "Je suis curieux de voir si l'alignement observé peut conduire à des applications technologiques dans le futur, par exemple en rapport avec le nettoyage et le dessalement de l'eau".